Baupraktische Erprobung von Straßenbetonen mit Innenhydrophobierung

Abstract

Aufbauend auf dem Forschungsprojekt zur Bewertung der Innenhydrophobierung von Fahrbahndeckenbetonen als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie und einer Literaturrecherche erfolgten zunächst mannigfaltige Grundsatzuntersuchungen zum Einfluss eines ausgewählten Hydrophobierungsmittels (HM). Zementleimuntersuchungen zeigen, dass das HM die Zementhydratation verzögert und die Porosität des Zementsteins im Nanometerbereich erhöht. Weiterführende Mörteluntersuchungen belegen, dass zur Einstellung des gleichen Luftgehalts im Mörtel bei der HM-Zugabe die Dosierung des LPBildners auf Wurzelharzbasis signifikant erhöht werden muss. Außerdem verschlechtern sich bei HM-Zugabe tendenziell die mechanischen Eigenschaften des Mörtels. Weiterhin wurde der Einfluss der Dosierung des HM von 0 bis 1,0 M.-% (Bezug auf Zementgehalt) auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines nach dem ARS 04/2013 entworfenen OB (D>8)/UB und OB (0/8) mit einer sehr alkaliempfindlichen Grauwacke grundhaft untersucht. Auch hier bestätigte sich, dass zur Sicherstellung des normativen LP-Gehalts im hydrophobierten Frischbeton die Dosierung des LP-Bildners signifikant erhöht werden muss. Das Fazit der Festbetonprüfungen ist: • signifikante Reduzierung kapillarer Wasseraufnahme des Betons ab einer HM-Dosierung von 0,5 M.-% • geringe Verschlechterung der Druck- und Spaltzugfestigkeit mit zunehmender HM-Dosierung • Verminderung des Frost-Tausalz-Widerstands (FTSW) mit zunehmender HM-Dosierung • hinreichende Verminderung des AKR-Schädigungspotenzials ab einer HM-Dosierung von 0,75 M.-%. Ursächlich für den verminderten FTSW ist der erhöhte Freuchtegradient in der beaufschlagten Betonrandzone. Durch die Behinderung der daraus resultierenden hygrischen und vor allem frostinduzierten Dehnung werden Querzugspannungen generiert, die die frostinduzierte Abwitterung begünstigen. Resümierend wurden für die aufbauenden Untersuchungen und den Technikumsversuch bei beiden Betonarten eine HM-Dosierung von 1,0 M.-% gewählt. Zusätzlich erfolgten folgende Modifikationen: • Substitution des WS-Prüfzements (Sackware) durch Straßenbauzement CEM I 42,5 N (tb) mit ähnlichem Na2O-Äquivalent (Siloware) • Substitution des Grauwackesplitts durch einen Rhyolithsplitt mittlerer Alkaliempfindlichkeit. Zur Sicherstellung der normativen Vorgaben für die mechanischen Eigenschaften und der steifen Konsistenz (hohe Grünstandfestigkeit) wurde der w/z-Wert beim OB (D>8)/UB auf 0,41 und beim OB (0/8) auf 0,43 bei den aufbauenden Untersuchungen abgesenkt. Zur Erreichung des normativ geforderten LP-Gehalts im Frischbeton wurde der wurzelharzbasierte durch einen hochwirksamen synthetischen LP-Bildner ersetzt. Zusätzlich wurde das HM nicht mehr zu Beginn, sondern erst nach dem abgeschlossenen Mischprozess aller anderen Betonausgangsstoffen zugegeben. Das Mischen selbst erfolgte zur besseren Übertragbarkeit auf die Großmischanlage mit einem Labordoppelwellenmischer. Die Modifikation der Betonrezeptur und des Mischregimes führte zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und vor allem des FTSW der hydrophobierten Rhyolithbetone. Für die Überführung auf die Großmischanlage wurden die Betonrezepturen und die Mischregime nochmals modifiziert. Auf der Großmischanlage wurden beide Betonarten ohne und mit HM hergestellt. Mit allen Betonarten wurden Plattenstreifen mittels Gleitschalungsfertiger mit verschiedener Oberflächentextur hergestellt. Die zusätzlich hergestellten Laborprüfkörper und die aus den Plattenstreifen gewonnenen Prüfkörper dienten der Ermittlung der Festbetonparameter. Es kann folgendes Fazit gezogen werden: • keine bzw. geringfügige Verschlechterung der mechanischen Parameter der großtechnisch hergestellten Betone durch HM-Zugabe • hydrophobierter OB (D>8)/UB mit moderater und hydrophobierter OB (0/8) mit signifikanter Verminderung des FTSW • ausreichende Verminderung des AKR-Schädigungspotenzials bei großtechnisch hergestellten Betone mit HM. Abschließend wurde der Einsatz des Hochofenzements CEM III/A 42,5 N (HOZ) als alternative AKR-Vermeidungsstrategie analysiert. Zu diesem Zweck wurde der WS-Prüf- bzw. Straßenbauzement durch den HOZ im OB (D>8)/UB mit Grauwacke bzw. Rhyolith mit folgendem Fazit ersetzt: • kapillare Wasseraufnahme des Grauwackeund Kurzfassung–Abstract Baupraktische Erprobung von Straßenbetonen mit Innenhydrophobierung • hinreichende Verminderung des AKR-Schädigungspotenzials ab einer HM-Dosierung von 0,75 M.-%. Ursächlich für den verminderten FTSW ist der erhöhte Freuchtegradient in der beaufschlagten Betonrandzone. Durch die Behinderung der daraus resultierenden hygrischen und vor allem frostinduzierten Dehnung werden Querzugspannungen generiert, die die frostinduzierte Abwitterung begünstigen. Resümierend wurden für die aufbauenden Untersuchungen und den Technikumsversuch bei beiden Betonarten eine HM-Dosierung von 1,0 M.-% gewählt. Zusätzlich erfolgten folgende Modifikationen: • Substitution des WS-Prüfzements (Sackware) durch Straßenbauzement CEM I 42,5 N (tb) mit ähnlichem Na2O-Äquivalent (Siloware) • Substitution des Grauwackesplitts durch einen Rhyolithsplitt mittlerer Alkaliempfindlichkeit. die mechanischen Eigenschaften und der steifen Konsistenz (hohe Grünstandfestigkeit) wurde der w/z-Wert beim OB (D>8)/UB auf 0,41 und beim OB (0/8) auf 0,43 bei den aufbauenden Untersuchungen abgesenkt. Zur Erreichung des normativ geforderten LP-Gehalts im Frischbeton wurde der wurzelharzbasierte durch einen hochwirksamen synthetischen LP-Bildner ersetzt. Zusätzlich wurde das HM nicht mehr zu Beginn, sondern erst nach dem abgeschlossenen Mischprozess aller anderen Betonausgangsstoffen zugegeben. Das Mischen selbst erfolgte zur besseren Übertragbarkeit auf die Großmischanlage mit einem Labordoppelwellenmischer. Die Modifikation der Betonrezeptur und des Mischregimes führte zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und vor allem des FTSW der hydrophobierten Rhyolithbetone. Für die Überführung auf die Großmischanlage wurden die Betonrezepturen und die Mischregime nochmals modifiziert. Auf der Großmischanlage wurden beide Betonarten ohne und mit HM hergestellt. Mit allen Betonarten wurden Plattenstreifen mittels Gleitschalungsfertiger mit verschiedener Oberflächentextur hergestellt. Die zusätzlich hergestellten Laborprüfkörper und die aus den Plattenstreifen gewonnenen Prüfkörper dienten der Ermittlung der Festbetonparameter. Es kann folgendes Fazit gezogen werden: • keine bzw. geringfügige Verschlechterung der mechanischen Parameter der großtechnisch hergestellten Betone durch HM-Zugabe • hydrophobierter OB (D>8)/UB mit moderater und hydrophobierter OB (0/8) mit signifikanter Verminderung des FTSW • ausreichende Verminderung des AKR-Schädigungspotenzials bei großtechnisch hergestellten Betone mit HM. Abschließend wurde der Einsatz des Hochofenzements CEM III/A 42,5 N (HOZ) als alternative AKR-Vermeidungsstrategie analysiert. Zu diesem Zweck wurde der WS-Prüf- bzw. Straßenbauzement durch den HOZ im OB (D>8)/UB mit Grauwacke bzw. Rhyolith mit folgendem Fazit ersetzt: • kapillare Wasseraufnahme des Grauwackeund Rhyolithbetons mit HOZ gegenüber der Referenz ohne HM tendenziell geringer und im Vergleich zu hydrophobiertem Beton höher • vergleichbare mechanische Eigenschaften des Grauwacke- und Rhyolithbetons mit HOZ wie beim Referenzbeton ohne und mit HM • signifikante Verminderung des FTSW durch HOZ • signifikante Reduzierung des AKR-Schädigungspotenzials durch den HOZ, selbst bei sehr alkaliempfindlicher Grauwacke. Resümierend ist der Einsatz des HOZ eine wirkungsvolle alternative AKR-Vermeidungsstrategie für Betonfahrbahndecken. Seine Verwendung sollte sich wegen des verminderten FTSW auf den Unterbeton beschränken. Abschließend wird ein Grobkonzept für die Errichtung einer Erprobungsstrecke mit hydrophobiertem Beton vorgestellt. Datei-Upload durch TIB

Based on the research project on evaluating internal hydrophobization of road pavement concrete as a novel ASR avoidance strategy and following a literature search, a range of fundamental tests was carried out to examine the influence of a selected hydrophobic agent (HA). Tests on cement paste show that the HA delays cement hydration and increases the porosity of hardened cement paste in the nanometre range. Further cement mortar tests prove that to achieve the same air content in cement mortar with added HA, the dosage of air entraining agent (AEA) based on wood resin must be increased significantly. Also, adding HA tends to result in deterioration of the cement mortar’s mechanical properties. Further, the project thoroughly examined the influence of HA dosages from 0 to 1.0 M.-% (of cement content) on the properties of fresh and hardened concrete of a top concrete layer (TCL) (D>8)/bottom concrete layer (BCL) and TCL (0/8) designed according to the General Circular on Road Construction (ARS) 04/2013 with a very alkali-sensitive greywacke. Here too, tests confirmed that to ensure normative air void content in hydrophobic fresh concrete, the AEA dosage must be significantly increased. The conclusion from the hardened concrete tests is: • Significant reduction of capillary water absorption at an HA dosage of 0.5 M.-% or above • Slight deterioration of compressive strength and splitting tensile strength with increasing HA dosage • Reduction of freeze-de-icing salt resistance with increasing HA dosage • Adequate reduction of ASR damage potential with HA dosage of 0.75 M.-% or above. The reduction in freeze-de-icing salt resistance is due to the increased moisture gradient in the treated concrete boundary zone. Impeding the resulting hygric and above all, frost-induced expansion generates transverse tensile stresses that promote frost-induced scaling. To sum up, in the follow-up tests and the Technikum tests an HA dosage of 1.0 M.-% was selected for both concrete types. The following modifications were also applied: • Substituting the WS (moisture class for highly stressed road surfaces) test cement (bagged cement) with pavement cement CEMIII/A 42.5 N (tb) with similar Na2O equivalent (silo cement) • Substituting greywacke with rhyolite chips of moderate alkali sensitivity. To achieve the specified standards for mechanical properties and stiffness (high green strength) the w/c ratio of the TCL (D>8)/BCL was reduced to 0.41 and of the TCL (0/8) to 0.43 for the follow-up tests. To achieve the standard air void content of fresh concrete specified in ARS, the wood rosin based AEA was replaced by a highly effective synthetic AEA. Further, the HA was added not at the beginning of the mixing process but after mixing all the other constituents. For better transferability to a large mixing plant, a laboratory double shaft mixer was used. The modification of the concrete formula and mixing regime resulted in improved mechanical properties and above all, improved freeze-de-icing salt resistance of the hydrophobized rhyolite concretes. The concrete formula and mixing regime were modified again for transfer to a large mixing plant. Both concrete types were produced without and with HA in the large mixing plant. Pavement strips were produced with all concrete types using slipform pavers with different surface textures. Laboratory test specimens and specimens from the paving strips were used to determine the hardened concrete parameters. The following conclusions can be drawn: • No or only slight deterioration of mechanical properties in the concretes produced in the large mixing plant with added HA • Moderate reduction of freeze-de-icing salt resistance in the hydrophobized TCL (D>8)/BCL and significant reduction in the hydrophobized TC (0/8) • Adequate reduction of ASR damage potential in concrete produced in the large mixing plant with added HA. Finally, the use of blast furnace cement CEM III/A 42.5 N (BFC) was analysed as an alternative ASR avoidance strategy. For this test, the WS test cement and concrete pavement cement were replaced by BFC in TCL (D>8)/BCL with greywacke or rhyolite, with the following results: • Capillary water absorption of greywacke and rhyolite concrete with BFC tended to be lower compared to the reference concrete without HA and higher compared to hydrophobized concrete • Mechanical properties of greywacke and rhyolite concrete with BFC comparable to the reference concretes without and with HA • Significant reduction of freeze-de-icing salt resistance due to BFC • Significant reduction of ASR damage potential due to BFC even with very alkali-sensitive greywacke. To sum up, the use of BFC is an effective alternative ASR avoidance strategy for concrete road pavements. Its use should be restricted to the bottom concrete layer, due to the lower freeze-de-icing salt resistance. Finally, a concept was roughed out for setting up a test section with hydrophobized concrete.